EP2912423A1 - Dispositif de traitement d'une impulsion optique pour mesurer le contraste de celle-ci, et systeme de mesure du contraste utilisant le dispositif - Google Patents

Dispositif de traitement d'une impulsion optique pour mesurer le contraste de celle-ci, et systeme de mesure du contraste utilisant le dispositif

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EP2912423A1
EP2912423A1 EP13779599.3A EP13779599A EP2912423A1 EP 2912423 A1 EP2912423 A1 EP 2912423A1 EP 13779599 A EP13779599 A EP 13779599A EP 2912423 A1 EP2912423 A1 EP 2912423A1
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EP
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optical
pedestal
main peak
contrast
optical pulse
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EP13779599.3A
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EP2912423B1 (fr
Inventor
Jérôme DUBERTRAND
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains

Definitions

  • the present invention relates to a device for processing an optical pulse for measuring the temporal contrast thereof, as well as a dynamic range (dynamic range) contrast measuring system using the device.
  • the invention applies more particularly to the measurement of temporal contrasts of great dynamics, greater than 10 5 , on single-shot pulses.
  • the invention is particularly useful for making temporal contrast measurements on the pulses provided by power lasers such as the Megajoule laser, for example.
  • a photodetector associated with an oscilloscope is most often used.
  • Such a technique has a drawback: with it, the measurement dynamic is not very high.
  • an oscilloscope whose bandwidth is equal to 6 GHz has an effective dynamic of about 7 bits, that is to say about 10 2 .
  • a system is also known that makes it possible to access measurements of temporal shapes of great momentum, from single-shot pulses.
  • This system refer to the following documents:
  • This known system makes it possible to measure a temporal shape of a pulse of great dynamics continuously; but it does not allow to measure contrasts greater than 10 3 . Indeed, the signals that are sent on the photodetector which it is provided are very close to the saturation of this photodetector.
  • the pulse to be characterized has a peak power of the order of 400 mW: if the peak power of the input signal is greater than this value, the photodetector will be saturated. and if it is inferior to it, the contrast will be degraded.
  • the present invention aims to overcome the above disadvantages.
  • the contrast measurement of great dynamics, is made possible by the combination of different optical components.
  • the combination of these with Specific electronic means and implementation makes the invention easy to use.
  • the present invention relates to a device for processing an optical pulse, for measuring the temporal contrast thereof, the optical pulse comprising a pedestal and a main peak, also called the main pulse, on the pedestal , the device being characterized in that it comprises:
  • an optical separation device comprising an input channel for receiving the optical pulse, and first and second output channels for respectively supplying the main peak and at least a portion of the pedestal, which part is used for the measurement of the optical pulse; temporal contrast,
  • a temporal shifting device for temporally shifting the main peak and the portion of the pedestal relative to one another
  • an attenuation device for attenuating the main peak so that the respective levels of the main peak and of the part of the pedestal are of the same order of magnitude
  • an optical multiplexing device for multiplexing the main peak thus attenuated and the part of the pedestal thus offset temporally with respect to the main peak, the contrast then being equal to the ratio of the measurement of the level of the main peak to the measurement of the level of the part; pedestal, the levels of the main peak and the portion of the pedestal being corrected attenuations they respectively suffered in the processing device.
  • the optical separation device comprises:
  • an optical splitting device at an input constituting the input channel, which receives the optical pulse, and first and second outputs for respectively supplying first and second replicas of the optical pulse, the first output being connected to the first way out, and
  • an optical amplitude modulation device having an input connected to the second output, and an output connected to the second output channel, and provided for eliminate the main peak of the second replica and pass only the part of the pedestal, when a control signal provided for this purpose, is applied thereto.
  • the device, object of the invention can then further comprise a triggering device for triggering the modulation device by the main peak of the optical pulse.
  • this triggering device comprises:
  • an opto-electric conversion device which receives the part thus taken out and supplies an electrical signal, representative thereof
  • the modulation device is controlled by the electrical signal.
  • the control signal, applied to the optical amplitude modulation device is preferably of sufficient duration that this optical amplitude modulation device also eliminates the portion of the optical pulse in which the first optical pulse replica will recombine with the output signal of the optical amplitude modulation device.
  • control signal of the optical amplitude modulation device is proportional to the optical pulse.
  • the optical separation device comprises an optical amplitude modulator, having an input, which constitutes the input channel for receiving the optical pulse, and first and second outputs which are complementary to each other and constitute respectively the first and second output channels for respectively providing the main peak and the part of the pedestal, when a control signal, provided for this purpose, is applied to the modulator.
  • the time shift device comprises an optical fiber.
  • the multiplexing device comprises an optical coupler.
  • the attenuation device is tunable.
  • the present invention also relates to a system for measuring the temporal contrast of an optical pulse, comprising:
  • a photodetection device for detecting the main peak and the part of the pedestal which have been multiplexed and for providing an electrical signal which is representative of the respective levels of the main peak and the pedestal portion
  • an electronic processing device for processing the electrical signal in order to determine the value of the contrast.
  • the electronic processing device comprises an oscilloscope or a digitizer.
  • FIG 1 is a schematic view of a first particular embodiment of the device, object of the invention.
  • FIG. 2 diagrammatically illustrates the possibility of measuring the contrast of a pulse having a non-negligible continuous bottom by means of the device represented in FIG. 1,
  • FIG. 3 diagrammatically illustrates an example of a laser pulse whose temporal contrast is to be measured
  • FIG. 4 diagrammatically illustrates the signal obtained at the output of the modulator included in the device of FIG. 1, if the main peak of this laser pulse is clipped, and
  • FIG 5 is a schematic view of a second particular embodiment of the device object of the invention. DETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
  • Figure 1 is a schematic view of a particular embodiment of the device object of the invention. This device is fully fiberized and intended to process a laser pulse to measure the time contrast in single-shot or recurrent mode.
  • FIG. 1 also shows a system according to the invention for measuring the temporal contrast C of the laser pulse.
  • the latter comprises a pedestal I whose intensity is different from zero, as well as a main peak I I on the pedestal I.
  • the system makes it possible, in particular, to measure temporal contrasts with a peak-plateau ratio greater than 10 5 in the recurrent mode or in a single-shot mode, on nanosecond laser pulses.
  • the device and system shown in FIG. 1 can be adapted to a wide spectral range and to various types of pulses, by adapting their constituent elements thereto.
  • the principle of the device consists in dividing the pulse into two signals which propagate on two measurement channels and which are identical but more or less attenuated according to the measurement channel considered.
  • One of the channels is used to measure the pedestal I of the pulse and the other channel for measuring the peak I I.
  • the pedestal without being disturbed by the peak, it eliminates the latter through an optical amplitude modulation device that allows only the pedestal (or, more exactly, at least a portion of this pedestal, which part is used for the measurement of the temporal contrast). Finally, the signals are recombined and analyzed.
  • This device and the system that includes it it is possible to measure contrasts up to more than 10 5 .
  • This limit (10 5 ) is imposed by the extinction rate of a simple modulation device which makes it possible to suppress the peak on one of the channels of measured. But this limit can be pushed back using a compound modulation device, for example a dual modulation device.
  • the device for processing a laser pulse which is schematically represented in FIG. 1, comprises an optical separation device 2, comprising an input channel e for receiving the optical pulse, and first and second channels.
  • S1, S2 output respectively to provide the main peak and at least a portion of the pedestal, which part is used for the measurement of time contrast.
  • the processing device also includes a time shift device 4 for temporally shifting the main peak and the part of the pedestal relative to each other.
  • the processing device comprises an attenuation device 6 for attenuating the main peak so that the respective levels of the main peak and the portion of the pedestal are of the same order of magnitude, and an optical multiplexing device 8 for multiplexing the main peak thus attenuated and the portion of the pedestal thus temporally offset from the main peak. We will return to the characteristics of this device 8 thereafter.
  • the signal coming from the attenuator and corresponding to the attenuated peak has the reference PA in FIG.
  • the contrast is then equal to the ratio of the measurement of the level of the main peak to the measurement of the level of the part of the pedestal.
  • the levels of the main peak and the part of the pedestal are corrected for the attenuation they have respectively experienced in the treatment device.
  • the optical separation device 2 comprises an optical division device 10 with an input constituting the input channel e, which receives the laser pulse, and first and second outputs si, s2 to respectively supply first and second replicas RI, R2 of the pulse laser.
  • the first output si is connected to the first output channel SI (via an optical fiber).
  • the optical separation device 2 also comprises an optical amplitude modulation device 12.
  • the latter has an input em connected to the second output s2 (via an optical fiber), and an output sm connected to the second output channel S2.
  • This modulation device 12 is provided to eliminate the main peak of the second replica and pass only the portion of the pedestal, when a control signal, provided for this purpose, is applied thereto.
  • the modulation device 12 is an electro-optical modulation device. It is also possible to use an acousto-optic modulation device, but the performances of the latter are less good: it is slower than an electro-optical modulation device for suppressing a light pulse.
  • the processing device further comprises a trigger device 14 for triggering the modulator 12 by the main peak II of the laser pulse (more precisely, by the first replica RI of the pulse laser in the case of Figure 1).
  • This triggering device 14 comprises an optical coupler 16 for taking part of the first replica R1, and an opto-electric conversion device 18 which receives the part thus taken out and supplies an electrical signal representative of the latter. As can be seen, the amplitude modulation device 12 is controlled by this electrical signal.
  • asymmetrical coupler 16 for example of the 90/10 type, which sends 10% of the optical energy which reaches it towards the conversion device 18.
  • a symmetrical coupler, type 50/50 is also usable; but in this case, the attenuation device 6 is chosen to attenuate more weakly the pulse that reaches him.
  • the use of the coupler 16 and the conversion device 18 causes a delay in the control of the modulation device 12. It may then be necessary to insert a delay optical fiber into the optical line which leads to the modulation device for the modulation device. avoid clipping control coming too late.
  • the time shifter 4 comprises an optical fiber 20.
  • the multiplexing device 8, as well as the optical splitting device 10 respectively comprise optical couplers 22 and 24.
  • the attenuation device 6 is tunable.
  • the order of the devices 4 and 6 could be reversed: the attenuation device 6 could precede the temporal shift device 4 instead of following the latter.
  • the temporal contrast measurement system of the laser pulse shown in FIG. 1, comprises the laser pulse processing device, which has just been described, and a photodetection device 26 for detecting the main peak and the portion of the pedestal that has been multiplexed and to provide an electrical signal that is representative of respective levels NI, N2 of the main peak and the pedestal portion.
  • This system also includes an electronic processing device 28 for processing the electrical signal to determine the value of the contrast C.
  • this processing device 28 comprises an oscilloscope 30. Instead of the latter, it could also be used a digitizer.
  • the attenuation device 6 is an optical fiber attenuator (in English, fiber-optic attenuator). Its function is to attenuate the intensity of the peak, more precisely the intensity of the optical signal RI so that the amplitude of this signal is of the same order of magnitude as the amplitude of the pedestal at the arrival at the photodetection device 26.
  • it is a tunable attenuator or variable attenuator. It is possible to use a fixed attenuator, that is to say an attenuator which is not tunable; but the domain of use of the system is then limited. This is possible if the order of magnitude of the temporal contrast to be measured is known.
  • Coupler coupling rate 22 and 24 90/10 • Optical insertion losses of the 12: 6 dB modulation device • Sensitivity of the photodetection device 26: 600 mV / mW
  • variable attenuator 6 34 dB
  • optical losses ILI approximately equal to 7 dB on the path of the device corresponding to the pedestal I
  • optical losses ILII approximately equal to 54 dB on the path corresponding to the pulse II.
  • the parameter that limits the system is the noise of the oscilloscope which is of the order of a hundred microvolts (200 ⁇ peak-to-peak).
  • the intensity of the signal corresponding to the pedestal must be greater than this value.
  • the device that has been described with reference to FIG. 1 can be adapted according to the needs:
  • the coupling rates of the couplers 22 and 24 (and of the coupler 16 when it is present) can be selected,
  • the delay can take place on one way or on the other: we can delay the peak with respect to the pedestal (by placing the temporal displacement device 4 on the way corresponding to the peak - case of figure 1) or delay the pedestal relative to the peak (by placing the temporal shifter 4 on the path corresponding to the pedestal),
  • variable attenuation can be provided online to adapt to the contrast to be measured; a variable attenuator (tunable attenuator) is then used, which is the case for the device of FIG.
  • a compound modulation device can be used to improve the extinction rate of this modulation device: the modulation device 12 is a simple modulation device, for example a Mach-Zehnder modulation device, but could be replaced by a modulation device composed, for example a dual modulation device, which may comprise two Mach-Zehnder modulation devices, which makes it possible to better suppress a high peak,
  • An internal synchronization of the measurement system can be provided by detection of the optical pulse (case of FIG. 1),
  • the sensitivity of the photodetection device 26 can be selected.
  • FIG. 1 Various aspects of the system shown in FIG. 1 are specified below.
  • the level of the pedestal is measurable provided that it is still present with respect to the peak at a duration greater than the response time of the modulator.
  • the system shown in Figure 1 is a fully fiberized system. This requires that the signal to be characterized is transported by an optical fiber.
  • This system makes it possible to measure temporal contrasts greater than 10 5 (50 dB). In fact, it depends on the level of the input signal: the higher this level is important the more the measurable contrast is important.
  • This system uses active components and therefore needs to be calibrated.
  • This system can be autonomous and synchronize itself; alternatively, it can be synchronized by the user.
  • This system can be made compact and therefore easily transportable. It can also be used to measure the contrast of a pulse which has a significant continuous background. This is schematically illustrated in FIG. 2, where the system which has been described with reference to FIG. 1 is found, but at the entrance of which there is a laser pulse whose pedestal I * is not negligible compared with at peak II *.
  • FIG. 2 the signals corresponding to those of FIG. 1 bear the same references, followed by the symbol "*".
  • the electrical signal applied to the modulation device 12 is preferably of sufficient duration so that the modulator also closes the zone of the laser pulse whose contrast C is to be measured, in which zone the optical signal coming from the output SI, will recombine the signal having passed through the modulation device 12, that is to say the signal from the output channel S2.
  • zone A If only the main peak (zone A, delimited by dashed lines) is clipped, the signal schematically illustrated in FIG. 4 will be given at the output of the modulation device 12.
  • This other pulse IS is in zone B, which is delimited by dots and adjacent to zone A.
  • Zone B corresponds to the place where the peak is to be recombined and, in this zone B, the signal is not negligible and can influence the measurement of the peak and thus the measurement of the contrast C.
  • the electrical control signal which is applied to the modulation device 12, is advantageously proportional to the shape of the laser pulse to be measured. This allows, among other things, to implement the technique that has just been described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • the opto-electric conversion device 18 comprises, in a conventional manner, a photodiode associated with a first electronic circuit; the modulation device comprises, in a conventional manner, an optical amplitude modulator which is itself associated with a second electronic circuit; and the first circuit provides an electrical signal for triggering the second circuit.
  • an opto-electric conversion device comprising the photodiode associated with an electronic circuit consisting of a programmable generator of electrical form
  • FIG. 1 Another particular embodiment of the device for processing the laser pulse is schematically illustrated in FIG. 1
  • the optical separation device 2 comprises an optical amplitude modulator 32 having an input, which constitutes the input channel e to receive the optical pulse, and first and second outputs which are complementary to one another. on the other and constitute respectively the first and second output channels S1 and S2 for respectively providing the main peak and the part of the pedestal, when a control signal SC provided for this purpose is applied to the modulator 32.
  • the rest of the measurement system is unchanged: the optical fiber 20, the attenuator 6, the coupler 22, the photodetection device 26 and the oscilloscope 30 are found again.

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Abstract

Dispositif de traitement d'une impulsion optique pour mesurer le contraste de celle-ci, et système de mesure du contraste, utilisant le dispositif. Ce dispositif comprend : un dispositif (2) recevant l'impulsion et fournissant le pic et le piédestal de celle-ci; un dispositif (4) pour décaler temporellement le pic et le piédestal l'un par rapport à l'autre; un dispositif (6) pour atténuer le pic de façon que son niveau soit du même ordre de grandeur que le niveau du piédestal; et un dispositif (8) pour multiplexer le pic et le piédestal. Le contraste est alors égal au rapport du niveau du pic au niveau du piédestal, ces niveaux étant corrigés des atténuations qu'ils ont subies dans le dispositif de traitement.

Description

DISPOSITIF DE TRAITEMENT D'UNE IMPULSION OPTIQUE POUR MESURER LE CONTRASTE DE CELLE-CI, ET SYSTEME DE MESURE DU CONTRASTE UTILISANT LE
DISPOSITIF DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif de traitement d'une impulsion optique pour mesurer le contraste temporel de celle-ci, ainsi qu'un système de mesure du contraste, à grande dynamique (en anglais, dynamic range), utilisant le dispositif.
L'invention s'applique plus particulièrement à la mesure de contrastes temporels de grande dynamique, supérieure à 105, sur des impulsions monocoup.
L'invention est notamment utilisable pour effectuer des mesures de contraste temporel sur les impulsions fournies par des lasers de puissance tels que le laser Mégajoule par exemple.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Pour mesurer le contraste temporel d'une impulsion optique, on utilise le plus souvent un photodétecteur associé à un oscilloscope. Une telle technique présente un inconvénient : avec elle, la dynamique de mesure n'est pas très élevée. Par exemple, un oscilloscope dont la bande passante est égale à 6 GHz ne possède qu'une dynamique effective d'environ 7 bits c'est-à-dire d'environ 102.
On connaît aussi un système permettant d'accéder à des mesures de formes temporelles de grande dynamique, à partir d'impulsions monocoup. Au sujet de ce système, on se reportera aux documents suivants :
[1] FR 2 899 328, Dispositif entièrement optique de découpage de la dynamique d'un signal optique et système de mesure du signal, utilisant ce dispositif, [2] US 8 095 017, Fully optical device for breaking down the dynamic range of an optical signal and System for measuring the signal using the device, correspondant au document [1]. Le principe de ce système consiste à faire des répliques de l'impulsion optique étudiée à l'aide de coupleurs optiques. Le niveau de chaque réplique est ajusté pour caractériser une portion de l'impulsion. Et les répliques sont décalées temporellement les unes par rapport aux autres puis recombinées et analysées. En mode de fonctionnement monocoup, ce système permet de mesurer des contrastes de 103.
Ce système connu permet la mesure d'une forme temporelle d'une impulsion de grande dynamique en continu ; mais il ne permet pas de mesurer des contrastes supérieurs à 103. En effet, les signaux qui sont envoyés sur le photodétecteur dont il est pourvu sont très proches de la saturation de ce photodétecteur.
Ce dernier met donc un certain temps avant de retrouver son état nominal. Et les signaux permettant d'observer la partie basse de la dynamique de la forme temporelle de l'invention saturent fortement le calibre de l'oscilloscope qui est associé au photodétecteur.
Pour obtenir la dynamique maximale avec ce système connu, il est nécessaire que l'impulsion à caractériser ait une puissance crête de l'ordre de 400 mW : si la puissance crête du signal d'entrée est supérieure à cette valeur, le photodétecteur sera saturé et si elle lui est inférieure, le contraste sera dégradé.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents.
Dans l'invention, il s'agit encore de créer des répliques d'une impulsion ; mais le pic de l'impulsion est écrêté par passage dans un dispositif de modulation.
La mesure de contraste, de grande dynamique, est rendue possible par l'association de différents composants optiques. La combinaison de ces derniers à des moyens électroniques et à une mise en œuvre spécifiques rend l'invention simple d'utilisation.
De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de traitement d'une impulsion optique, pour mesurer le contraste temporel de celle-ci, l'impulsion optique comportant un piédestal et un pic principal, également appelé impulsion principale, sur le piédestal, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend :
-un dispositif optique de séparation, comportant une voie d'entrée pour recevoir l'impulsion optique, et des première et deuxième voies de sortie pour fournir respectivement le pic principal et au moins une partie du piédestal, partie qui est utilisée pour la mesure du contraste temporel,
-un dispositif de décalage temporel pour décaler temporellement le pic principal et la partie du piédestal l'un par rapport à l'autre,
-un dispositif d'atténuation pour atténuer le pic principal de façon que les niveaux respectifs du pic principal et de la partie du piédestal soient du même ordre de grandeur, et
-un dispositif de multiplexage optique pour multiplexer le pic principal ainsi atténué et la partie du piédestal ainsi décalée temporellement par rapport au pic principal, le contraste étant alors égal au rapport de la mesure du niveau du pic principal à la mesure du niveau de la partie du piédestal, les niveaux du pic principal et de la partie du piédestal étant corrigés des atténuations qu'ils ont respectivement subies dans le dispositif de traitement.
Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif, objet de l'invention, le dispositif optique de séparation comprend :
-un dispositif de division optique à une entrée constituant la voie d'entrée, qui reçoit l'impulsion optique, et des première et deuxième sorties pour fournir respectivement des première et deuxième répliques de l'impulsion optique, la première sortie étant reliée à la première voie de sortie, et
-un dispositif de modulation d'amplitude optique, ayant une entrée reliée à la deuxième sortie, et une sortie reliée à la deuxième voie de sortie, et prévu pour éliminer le pic principal de la deuxième réplique et ne laisser passer que la partie du piédestal, lorsqu'un signal de commande prévu, à cet effet, lui est appliqué.
Le dispositif, objet de l'invention, peut alors comprendre en outre un dispositif de déclenchement pour déclencher le dispositif de modulation par le pic principal de l'impulsion optique.
De préférence, ce dispositif de déclenchement comprend :
-un coupleur optique pour prélever une partie de la première réplique, et
-un dispositif de conversion opto-électrique qui reçoit la partie ainsi prélevée et fournit un signal électrique, représentatif de celle-ci,
et le dispositif de modulation est commandé par le signal électrique.
Le signal de commande, appliqué au dispositif de modulation d'amplitude optique, a de préférence une durée suffisante pour que ce dispositif de modulation d'amplitude optique élimine également la partie de l'impulsion optique dans laquelle la première réplique de l'impulsion optique va se recombiner au signal de sortie du dispositif de modulation d'amplitude optique.
De préférence, le signal de commande du dispositif de modulation d'amplitude optique est proportionnel à l'impulsion optique.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif, objet de l'invention, le dispositif optique de séparation comprend un modulateur d'amplitude optique, ayant une entrée, qui constitue la voie d'entrée pour recevoir l'impulsion optique, et des première et deuxième sorties qui sont complémentaires l'une de l'autre et constituent respectivement les première et deuxième voies de sortie pour fournir respectivement le pic principal et la partie du piédestal, lorsqu'un signal de commande, prévu à cet effet, est appliqué au modulateur.
Selon un mode de réalisation préféré du dispositif, objet de l'invention, le dispositif de décalage temporel comprend une fibre optique.
De préférence, le dispositif de multiplexage comprend un coupleur optique. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif d'atténuation est accordable.
La présente invention concerne aussi un système de mesure du contraste temporel d'une impulsion optique, comprenant :
-le dispositif de traitement de l'impulsion optique, objet de l'invention,
-un dispositif de photodétection pour détecter le pic principal et la partie du piédestal qui ont été multiplexés et pour fournir un signal électrique qui est représentatif des niveaux respectifs du pic principal et de la partie de piédestal, et
-un dispositif électronique de traitement pour traiter le signal électrique afin de déterminer la valeur du contraste.
De préférence, le dispositif électronique de traitement comprend un oscilloscope ou un numériseur.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
-la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation particulier du dispositif, objet de l'invention,
-la figure 2 illustre schématiquement la possibilité de mesurer le contraste d'une impulsion présentant un fond continu non négligeable à l'aide du dispositif représenté sur la figure 1,
-la figure 3 illustre schématiquement un exemple d'impulsion laser dont on veut mesurer le contraste temporel,
-la figure 4 illustre schématiquement le signal obtenu à la sortie du modulateur que comporte le dispositif de la figure 1, si l'on écrête le pic principal de cette impulsion laser, et
-la figure 5 est une vue schématique d'un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif, objet de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif, objet de l'invention. Ce dispositif est entièrement fibré et destiné à traiter une impulsion laser pour en mesurer le contraste temporel en régime monocoup ou récurrent.
Sur la figure 1, on voit aussi un système conforme à l'invention, permettant de mesurer le contraste temporel C de l'impulsion laser. Cette dernière comporte un piédestal I dont l'intensité est différente de zéro, ainsi qu'un pic principal I I sur le piédestal I .
Le système permet notamment de mesurer des contrastes temporels avec un rapport pic-palier supérieur à 105 en régime récurrent ou en régime monocoup, sur des impulsions laser nanoseconde.
Le dispositif et le système qui sont représentés sur la figure 1 peuvent être adaptés à une large gamme spectrale et à divers types d'impulsions, en adaptant leurs éléments constitutifs à celles-ci.
Le principe du dispositif consiste à diviser l'impulsion en deux signaux qui se propagent sur deux voies de mesure et qui sont identiques mais plus ou moins atténués suivant la voie de mesure considérée. L'une des voies est utilisée pour effectuer la mesure du piédestal I de l'impulsion et l'autre voie, pour la mesure du pic I I .
Pour mesurer le piédestal sans être gêné par le pic, on élimine ce dernier grâce à un dispositif de modulation d'amplitude optique qui ne laisse passer que le piédestal (ou, plus exactement, au moins une partie de ce piédestal, partie qui est utilisée pour la mesure du contraste temporel). Enfin, on recombine puis on analyse les signaux.
Grâce à ce dispositif et au système qui l'inclut, on peut mesurer des contrastes jusqu'à plus de 105. Cette limite (105) est imposée par le taux d'extinction d'un dispositif de modulation simple qui permet de supprimer le pic sur l'une des voies de mesure. Mais cette limite peut être repoussée en utilisant un dispositif de modulation composé, par exemple un dispositif de modulation double.
Toutefois, il est alors notamment nécessaire d'augmenter la puissance de l'impulsion optique étudiée et la sensibilité du photodétecteur que l'on amené à utiliser à la suite du dispositif de traitement de l'impulsion.
Plus précisément, le dispositif de traitement d'une impulsion laser, qui est schématiquement représenté sur la figure 1, comprend un dispositif optique de séparation 2, comportant une voie d'entrée e pour recevoir l'impulsion optique, et des première et deuxième voies de sortie SI, S2 pour fournir respectivement le pic principal et au moins une partie du piédestal, partie qui est utilisée pour la mesure du contraste temporel.
Le dispositif de traitement comprend aussi un dispositif de décalage temporel 4 pour décaler temporellement le pic principal et la partie du piédestal l'un par rapport à l'autre.
En outre, le dispositif de traitement comprend un dispositif d'atténuation 6 pour atténuer le pic principal de façon que les niveaux respectifs du pic principal et de la partie du piédestal soient du même ordre de grandeur, et un dispositif de multiplexage optique 8 pour multiplexer le pic principal ainsi atténué et la partie du piédestal ainsi décalée temporellement par rapport au pic principal. On reviendra sur les caractéristiques de ce dispositif 8 par la suite.
Le signal issu de l'atténuateur et correspondant au pic atténué a la référence PA sur la figure 1.
Le contraste est alors égal au rapport de la mesure du niveau du pic principal à la mesure du niveau de la partie du piédestal. Avant de déterminer ce rapport, les niveaux du pic principal et de la partie du piédestal sont corrigés des atténuations qu'ils ont respectivement subies dans le dispositif de traitement.
Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le dispositif optique de séparation 2 comprend un dispositif de division optique 10 à une entrée constituant la voie d'entrée e, qui reçoit l'impulsion laser, et des première et deuxième sorties si, s2 pour fournir respectivement des première et deuxième répliques RI, R2 de l'impulsion laser. La première sortie si est reliée à la première voie de sortie SI (par l'intermédiaire d'une fibre optique). On reviendra sur les caractéristiques de ce dispositif 10 par la suite.
Le dispositif optique de séparation 2 comprend aussi un dispositif de modulation d'amplitude optique 12. Ce dernier a une entrée em reliée à la deuxième sortie s2 (par l'intermédiaire d'une fibre optique), et une sortie sm reliée à la deuxième voie de sortie S2. Ce dispositif de modulation 12 est prévu pour éliminer le pic principal de la deuxième réplique et ne laisser passer que la partie du piédestal, lorsqu'un signal de commande, prévu à cet effet, lui est appliqué.
Sur la figure 1, on voit le signal SP correspondant à la partie du piédestal que le dispositif de modulation laisse passer ; et les pointillés E symbolisent le pic éliminé.
Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le dispositif de modulation 12 est un dispositif de modulation électro-optique. On peut aussi utiliser un dispositif de modulation acousto-optique mais les performances de ce dernier sont moins bonnes : il est moins rapide qu'un dispositif de modulation électro-optique pour supprimer une impulsion lumineuse.
Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le dispositif de traitement comprend en outre un dispositif de déclenchement 14 pour déclencher le modulateur 12 par le pic principal II de l'impulsion laser (plus précisément, par la première réplique RI de l'impulsion laser dans le cas de la figure 1).
Ce dispositif de déclenchement 14 comprend un coupleur optique 16 pour prélever une partie de la première réplique RI, et un dispositif de conversion opto- électrique 18 qui reçoit la partie ainsi prélevée et fournit un signal électrique représentatif de celle-ci. Comme on le voit, le dispositif de modulation d'amplitude 12 est commandé par ce signal électrique.
Revenons sur le dispositif de déclenchement 14.
Il faut envoyer un signal de commande au dispositif de modulation 12 pour qu'il écrête l'impulsion laser qui lui parvient, c'est-à-dire pour qu'il en supprime le pic principal, à partir du moment où il reçoit le signal de commande. Certes, il est possible de déclencher le dispositif de modulation 12 par un signal de synchronisation externe, qui est synchrone du laser (non représenté) qui émet l'impulsion ou les impulsions dont on veut mesurer le contraste.
Mais il est préférable de le déclencher de façon interne, en utilisant un dispositif de synchronisation afin de ne pas avoir besoin de gérer les retards à appliquer au signal de déclenchement. C'est ce que l'on fait dans le cas du dispositif représenté sur la figure 1, qui comporte le coupleur 16 et le dispositif de conversion opto-électrique 18 pour commander le dispositif de modulation 12.
On peut utiliser un coupleur 16 asymétrique, par exemple de type 90/10, qui envoie 10% de l'énergie optique qui lui parvient vers le dispositif de conversion 18. Compte tenu de l'intensité élevée du pic II, un coupleur symétrique, de type 50/50, est également utilisable ; mais dans ce cas, le dispositif d'atténuation 6 est choisi pour atténuer plus faiblement l'impulsion qui lui parvient.
De plus, l'utilisation du coupleur 16 et du dispositif de conversion 18 entraîne un retard de la commande du dispositif de modulation 12. On peut alors être amené à insérer une fibre optique de retardement dans la ligne optique qui mène au dispositif de modulation pour éviter que la commande d'écrêtage ne lui parvienne trop tard.
Dans l'exemple représenté, le dispositif de décalage temporel 4 comprend une fibre optique 20. Et le dispositif de multiplexage 8, ainsi que le dispositif de division optique 10 comprennent respectivement des coupleurs optiques 22 et 24. En outre, le dispositif d'atténuation 6 est accordable.
On précise que l'ordre des dispositifs 4 et 6 pourrait être inversé : le dispositif d'atténuation 6 pourrait précéder le dispositif de décalage temporel 4 au lieu de suivre ce dernier.
Revenons sur les caractéristiques des dispositifs 8 et 10, comprenant les coupleurs 22 et 24 dans l'exemple décrit.
Etant donné que l'intensité optique du pic principal II est très supérieure à celle du piédestal I, on cherche à avoir une intensité optique aussi élevée que possible sur la voie correspondant au piédestal et à la sortie de cette voie. C'est pourquoi on choisit de préférence des coupleurs très asymétriques, par exemple des coupleurs 90/10.
Pour le coupleur 22, cela signifie que 90% de l'intensité optique qui en sort provient du modulateur et que le reste (10%) provient de l'atténuateur. Et pour le coupleur 24, cela signifie que 90% de l'intensité optique qui lui parvient est envoyée vers le dispositif de modulation et que le reste (10%) est envoyé vers l'atténuateur.
Certes, on pourrait utiliser des coupleurs symétriques 50/50 mais on ne pourrait alors mesurer que des contrastes inférieurs à 105.
Le système de mesure du contraste temporel de l'impulsion laser, représenté sur la figure 1, comprend le dispositif de traitement de l'impulsion laser, que l'on vient de décrire, et un dispositif de photodétection 26 pour détecter le pic principal et la partie du piédestal qui ont été multiplexés et pour fournir un signal électrique qui est représentatif des niveaux respectifs NI, N2 du pic principal et de la partie de piédestal.
Ce système comprend aussi un dispositif électronique de traitement 28 pour traiter le signal électrique afin de déterminer la valeur du contraste C. Dans l'exemple représenté, ce dispositif de traitement 28 comprend un oscilloscope 30. Au lieu de ce dernier, on pourrait également utiliser un numériseur.
On précise que le dispositif d'atténuation 6 est un atténuateur à fibre optique (en anglais, fiber-optic attenuator). Il a pour fonction d'atténuer l'intensité du pic, plus précisément l'intensité du signal optique RI afin que l'amplitude de ce signal soit du même ordre de grandeur que l'amplitude du piédestal à l'arrivée au dispositif de photodétection 26.
Dans l'exemple, il s'agit d'un atténuateur accordable ou atténuateur variable. Il est possible d'utiliser un atténuateur fixe, c'est-à-dire un atténuateur qui n'est pas accordable ; mais le domaine d'utilisation du système est alors borné. Ceci est possible si l'on connaît l'ordre de grandeur du contraste temporel à mesurer.
A titre purement indicatif et nullement limitatif, on souhaite mesurer un contraste de 105 avec une impulsion dont la puissance-crête vaut 500 mW et l'on utilise les valeurs numériques suivantes :
«taux de couplage des coupleurs 22 et 24 : 90/10 •pertes d'insertion optiques du dispositif de modulation 12 : 6 dB •sensibilité du dispositif de photodétection 26 : 600 mV/mW
•atténuateur variable 6 : 34 dB
Il en résulte des pertes optiques ILI environ égale à 7 dB sur la voie du dispositif correspondant au piédestal I, et des pertes optiques ILII environ égale à 54 dB sur la voie correspondant à l'impulsion II.
Alors, les valeurs que l'on mesure à l'aide de l'oscilloscope 30 sont :
•VI = 0,6 mV pour la voie correspondant au piédestal
•VII = 1,2 mV pour la voie correspondant au pic.
On en déduit le contraste C :
C est donc peu différent de 50 dB.
Le paramètre qui limite le système est le bruit de l'oscilloscope qui est de l'ordre d'une centaine de microvolts (200 μν crête-à-crête). Pour qu'une mesure de contraste soit réalisable, il faut que l'intensité du signal correspondant au piédestal soit supérieure à cette valeur.
Le dispositif que l'on a décrit en faisant référence à la figure 1 peut être adapté en fonction des besoins :
•on peut choisir les taux de couplage des coupleurs 22 et 24 (et du coupleur 16 lorsqu'il est présent),
•le retard peut avoir lieu sur une voie ou sur l'autre : on peut retarder le pic par rapport au piédestal (en plaçant le dispositif de décalage temporel 4 sur la voie correspondant au pic - cas de la figure 1) ou retarder le piédestal par rapport au pic (en plaçant le dispositif de décalage temporel 4 sur la voie correspondant au piédestal),
«on peut prévoir une atténuation variable en ligne pour s'adapter au contraste à mesurer ; on utilise alors un atténuateur variable (atténuateur accordable), ce qui est le cas pour le dispositif de la figure 1, •on peut utiliser un dispositif de modulation composé pour améliorer le taux d'extinction de ce dispositif de modulation : le dispositif de modulation 12 est un dispositif de modulation simple, par exemple un dispositif de modulation de Mach- Zehnder, mais pourrait être remplacé par un dispositif de modulation composé, par exemple un dispositif de modulation double, qui peut comprendre deux dispositifs de modulation de Mach-Zehnder, ce qui permet de mieux supprimer un pic élevé,
•on peut prévoir une synchronisation interne du système de mesure par détection de l'impulsion optique (cas de la figure 1),
•on peut choisir la sensibilité du dispositif de photodétection 26.
On précise ci-après divers aspects du système représenté sur la figure 1.
Le niveau du piédestal est mesurable à condition qu'il soit encore présent par rapport au pic à une durée supérieure au temps de réponse du modulateur.
Le système représenté sur la figure 1 est un système entièrement fibré. Cela impose que le signal à caractériser soit transporté par une fibre optique.
Ce système permet de mesurer des contrastes temporels supérieurs à 105 (50 dB). En fait, cela dépend du niveau du signal d'entrée : plus ce niveau est important plus le contraste mesurable est important.
L'utilisation du même calibre sur l'oscilloscope apporte une meilleure précision sur la mesure : on s'affranchit de la linéarité inter-calibre.
Ce système utilise des composants actifs et doit donc être calibré.
Ce système peut être autonome et se synchroniser par lui-même ; en variante, il peut être synchronisé par l'utilisateur.
Ce système peut être rendu compact et donc facilement transportable. II peut également servir à mesurer le contraste d'une impulsion qui présente un fond continu non négligeable. Ceci est schématiquement illustré par la figure 2 où l'on retrouve le système qui a été décrit en faisant référence à la figure 1, mais à l'entrée duquel se présente une impulsion laser dont le piédestal I* n'est pas négligeable par rapport au pic II*. Sur la figure 2, les signaux correspondant à ceux de la figure 1 portent les mêmes références, suivies du symbole « * ».
Le signal électrique appliqué au dispositif de modulation 12 a, de préférence, une durée suffisante pour que le modulateur écrête également la zone de l'impulsion laser dont on veut mesurer le contraste C, zone dans laquelle le signal optique, issu de la voie de sortie SI, va se recombiner au signal ayant traversé le dispositif de modulation 12, c'est-à-dire le signal issu de la voie de sortie S2.
En effet, on peut être amené non seulement à écrêter le pic principal de l'impulsion mais aussi à éliminer d'autres parties de cette impulsion.
A titre d'exemple, considérons l'impulsion laser dont l'allure est schématiquement illustrée par la figure 3 et dont on veut mesurer le contraste temporel C. Le temps t est porté en abscisses et l'intensité lumineuse i en ordonnées.
Si l'on écrête seulement le pic principal (zone A, délimitée par des pointillés), on aura le signal schématiquement illustré par la figure 4 à la sortie du dispositif de modulation 12. On note la présence d'un fond continu et/ou d'une autre impulsion IS sur l'impulsion étudiée. Cette autre impulsion IS est dans la zone B, qui est délimitée par des pointillés et voisine de la zone A.
La zone B correspond à l'endroit où doit venir se recombiner le pic et, dans cette zone B, le signal n'est pas négligeable et peut influencer la mesure du pic et donc la mesure du contraste C.
En conséquence, il est préférable
-soit d'appliquer, au dispositif de modulation 12, un premier signal électrique pour écrêter la totalité du pic principal, et un deuxième signal électrique pour éteindre le signal optique à l'instant où le signal PA, issu de l'atténuateur 6, doit venir se recombiner au dispositif de modulation 12 (voie de sortie S2),
-soit d'appliquer, au dispositif de modulation 12, un signal électrique de durée TA + TB qui est équivalente à la durée TA du pic principal, augmentée de la durée TB correspondant à la zone B.
Cela permet d'écrêter le pic principal quel que soit le type de l'impulsion laser étudiée. Le signal électrique de commande, qui est appliqué au dispositif de modulation 12, est avantageusement proportionnel à la forme de l'impulsion laser à mesurer. Cela permet, entre autres, de mettre en œuvre la technique que l'on vient de décrire en faisant référence aux figures 3 et 4.
Pour obtenir un tel signal électrique, on peut procéder de la façon suivante :
On précise d'abord que le dispositif de conversion opto-électrique 18 comprend, de façon classique, une photodiode associée à un premier circuit électronique ; le dispositif de modulation comprendre façon classique, un modulateur d'amplitude optique qui est lui-même associé à un deuxième circuit électronique ; et le premier circuit fournit un signal électrique servant à déclencher le deuxième circuit.
Alors, pour obtenir le signal proportionnel à la forme de l'impulsion laser, il est possible de :
-remplacer le dispositif de conversion opto-électrique 18, ayant la structure mentionnée ci-dessus, par un dispositif de conversion opto-électrique comprenant la photodiode associée à un circuit électronique constitué par un générateur programmable de forme électrique, et
-remplacer le dispositif 12 par un simple modulateur d'amplitude optique que l'on commande par le signal électrique fourni en sortie par le générateur programmable de forme électrique.
Un autre mode de réalisation particulier du dispositif de traitement de l'impulsion laser est schématiquement illustré par la figure 5.
Dans cet autre exemple, le dispositif optique de séparation 2 comprend un modulateur d'amplitude optique 32 ayant une entrée, qui constitue la voie d'entrée e pour recevoir l'impulsion optique, et des première et deuxième sorties qui sont complémentaires l'une de l'autre et constituent respectivement les première et deuxième voies de sortie SI et S2 pour fournir respectivement le pic principal et la partie du piédestal, lorsqu'un signal de commande SC prévu à cet effet est appliqué au modulateur 32. Comme on le voit, dans cet autre exemple, le reste du système de mesure est inchangé : on retrouve la fibre optique 20, l'atténuateur 6, le coupleur 22, le dispositif de photodétection 26 et l'oscilloscope 30.
Pour ce qui concerne les modulateurs d'amplitude optique à deux sorties complémentaires l'une de l'autre, on pourra se référer en particulier au document suivant :
[3] US 6 320 692, Biasing System for an optical modulator with double output.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de traitement d'une impulsion optique, pour mesurer le contraste temporel (C) de celle-ci, l'impulsion optique comportant un piédestal (I) et un pic principal (I I) sur le piédestal, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend :
-un dispositif optique de séparation (2), comportant une voie d'entrée pour recevoir l'impulsion optique, et des première et deuxième voies de sortie pour fournir respectivement le pic principal et au moins une partie du piédestal, partie qui est utilisée pour la mesure du contraste temporel,
-un dispositif de décalage temporel (4) pour décaler temporellement le pic principal et la partie du piédestal l'un par rapport à l'autre,
-un dispositif d'atténuation (6) pour atténuer le pic principal de façon que les niveaux respectifs du pic principal et de la partie du piédestal soient du même ordre de grandeur, et
-un dispositif de multiplexage optique (8) pour multiplexer le pic principal ainsi atténué et la partie du piédestal ainsi décalée temporellement par rapport au pic principal, le contraste étant alors égal au rapport de la mesure du niveau du pic principal à la mesure du niveau de la partie du piédestal, les niveaux du pic principal et de la partie du piédestal étant corrigés des atténuations qu'ils ont respectivement subies dans le dispositif de traitement.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le dispositif optique de séparation (2) comprend :
-un dispositif de division optique (10) à une entrée constituant la voie d'entrée, qui reçoit l'impulsion optique, et des première et deuxième sorties pour fournir respectivement des première et deuxième répliques de l'impulsion optique, la première sortie étant reliée à la première voie de sortie, et
-un dispositif de modulation d'amplitude optique (12), ayant une entrée reliée à la deuxième sortie, et une sortie reliée à la deuxième voie de sortie, et prévu pour éliminer le pic principal de la deuxième réplique et ne laisser passer que la partie du piédestal, lorsqu'un signal de commande, prévu à cet effet, lui est appliqué.
3. Dispositif selon la revendication 2, comprenant en outre un dispositif de déclenchement (14) pour déclencher le dispositif de modulation (12) par le pic principal de l'impulsion optique.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le dispositif de déclenchement (14) comprend :
-un coupleur optique (16) pour prélever une partie de la première réplique, et
-un dispositif de conversion opto-électrique (18) qui reçoit la partie ainsi prélevée et fournit un signal électrique, représentatif de celle-ci,
et dans lequel le dispositif de modulation (12) est commandé par le signal électrique.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le signal de commande, appliqué au dispositif de modulation d'amplitude optique (12), a une durée suffisante pour que le dispositif de modulation d'amplitude optique (12) élimine également la partie de l'impulsion optique dans laquelle la première réplique de l'impulsion optique va se recombiner au signal de sortie du dispositif de modulation d'amplitude optique (12).
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel le signal de commande du dispositif de modulation d'amplitude optique (12) est proportionnel à l'impulsion optique.
7. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le dispositif optique de séparation (2) comprend un modulateur d'amplitude optique (32), ayant une entrée, qui constitue la voie d'entrée pour recevoir l'impulsion optique, et des première et deuxième sorties qui sont complémentaires l'une de l'autre et constituent respectivement les première et deuxième voies de sortie pour fournir respectivement le pic principal et la partie du piédestal, lorsqu'un signal de commande, prévu à cet effet, est appliqué au modulateur (32).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le dispositif de décalage temporel (4) comprend une fibre optique (20).
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le dispositif de multiplexage (8) comprend un coupleur optique (22).
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le dispositif d'atténuation (6) est accordable.
11. Système de mesure du contraste temporel d'une impulsion optique, comprenant :
-le dispositif de traitement de l'impulsion optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10,
-un dispositif de photodétection (26) pour détecter le pic principal et la partie du piédestal qui ont été multiplexés et pour fournir un signal électrique qui est représentatif des niveaux respectifs du pic principal et de la partie de piédestal, et
-un dispositif électronique de traitement (28) pour traiter le signal électrique afin de déterminer la valeur du contraste.
12. Dispositif selon la revendication 11, dans lequel le dispositif électronique de traitement (28) comprend un oscilloscope (30) ou un numériseur.
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